И эксплуатационные свойства чугунов

 

       Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении.

       Углерод в чугуне может находиться в виде графита и цементита. Цементит придаёт излому характерный светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита называют белым чугуном. Графит придаёт излому серый цвет. Поэтому чугун, в котором бόльшая часть углерода находится в виде графита называют серым чугуном.

       Белый чугун является очень твёрдым, хрупким и практически не поддаётся обработке резанием. Поэтому для изготовления деталей машин он не используется. Ограниченное применение имеют лишь отбеленные чугуны – отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твёрдой корки на поверхности. Из них изготавливают прокатные валки, тормозные колодки, колёса, шары для мельниц, лемеха плугов и другие детали, работающие в условиях износа.

       Серый чугун и его разновидности – высокопрочный чугун и чугун с вермикулярным графитом – нашли широкое применение в технике. Преобладающий графит обеспечивает пониженную твёрдость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные свойства, но снижает прочность и пластичность. Серый чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры. Отсюда ясно, что механические свойства чугуна будут сильно зависеть от формы, размеров, количества и характера распределения включений графита. Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень их изолированности друг от друга, тем выше прочность чугуна. Чугун с большим количеством крупных пластинчатых включений графита, разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с более мелкими и округлыми графитными включениями обладает более высокими свойствами. Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает серый чугун малочувствительным к концентраторам напряжений. Вследствие этого серый чугун имеет практически одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы с ровной поверхностью и сложной формы с надрезами или плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционность чугуна вследствие собственного смазывающего эффекта.

Серый чугун классифицируется в зависимости от формы графита.

       Собственно серым чугуном называют серый чугун с пластинчатой формой графита. Серый чугун маркируется буквами СЧ и последующими цифрами, единица которых соответствует 10 МПа, характеризующими предел прочности при растяжении. Например, СЧ10 означает серый чугун с пределом прочности s_в=100 МПа, а СЧ35 – серый чугун с пределом прочности 350 МПа. Благодаря хорошим литейным свойствам серый чугун является наиболее распространённым материалом для изготовления различных отливок. Он достаточно прочен, хорошо работает при сжимающих нагрузках, не чувствителен к внешним надрезам, гасит вибрации, обладает высокой антифрикционностью, легко обрабатывается резанием.

Высокопрочным чугуном называют серый чугун с шаровидной формой графита. Маркировка высокопрочного чугуна имеет вид ВЧ 35, что означает высокопрочный чугун с пределом прочности 350 МПа, или ВЧ 80 – высокопрочный чугун с пределом прочности 800 МПа. По сравнению с серым высокопрочный чугун обладает более высокими прочностью, твёрдостью и пластичностью. Он также обладает высокими износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаростойкостью и хладостойкостью, антифрикционностью, а также способностью гасить вибрации.

Чугуном с вермикулярным графитом называют серый чугун, сочетающий шаровидную форму графита (до 40%) с формой в виде мелких тонких прожилок, называемой вермикулярной. Маркировка чугуна с вермикулярным графитом имеет вид ЧВГ 45, что означает чугун с вермикулярным графитом, имеющий предел прочности 450 МПа. По прочности и пластичности чугун с вермикулярным графитом занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугуном. Чугун с вермикулярным графитом отличается хорошей теплопроводностью, что обеспечивает его стойкость к тепловым перепадам.

Ковким чугуном называют чугун с хлопьевидной формой графита, получаемый длительным отжигом белого чугуна при высоких температурах. Хлопьевидный графит в отличие от пластинчатого меньше снижает механические свойства, вследствие чего ковкие чугуны по сравнению с серыми обладают большей прочностью и пластичностью. Ковкие чугуны маркируют буквенными индексами КЧ и двумя последующими цифрами, первая из которых характеризует прочность, а вторая – пластичность. Например, КЧ 37-12 означает ковкий чугун с пределом прочности s_в=370 МПа и относительным удлинением при разрыве d=12%, а КЧ 80-1,5 – ковкий чугун с пределом прочности s_в=800 МПа и относительным удлинением при разрыве d=1,5%. Ковкий чугун обладает высокими прочностью, твёрдостью, износостойкостью, антифрикционностью, вибростойкостью, сопротивлением ударным нагрузкам, хорошо обрабатывается резанием.

Все чугуны обладают плохой свариваемостью. Разрушающая нагрузка при сжатии чугуна примерно в 4 раза больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать для изготовления изделий, работающих преимущественно на сжатие.

Чугуны могут обладать следующими механическими свойствами: s_т=700 МПа (ВЧ 100), s_в=1000 МПа (ВЧ 100), НВ 550 (белый чугун), d=22% (ВЧ 35).

 

Цветные металлы и сплавы

 

       За исключением чёрных металлов, т.е. железа и его сплавов, все остальные металлы и сплавы называются цветными. Цветные металлы и сплавы называются лёгкими, если они имеют плотность менее 5 г/см³. К лёгким сплавам относятся материалы на основе магния (1,74 г/см³), алюминия (2,70 г/см³) и титана (4,50 г/см³). Цветные металлы и сплавы с плотностью, большей чем у железа (7,87 г/см³), называются тяжёлыми. К тяжёлым металлам относятся в порядке возрастания плотности, например, ниобий (8,57 г/см³), кобальт (8,90 г/см³), никель (8,90 г/см³), медь (8,94 г/см³), молибден (10,20 г/см³), серебро (10,50 г/см³), свинец (11,34 г/см³), ртуть (13,50 г/см³), тантал (16,60 г/см³), уран (19,04 г/см³), вольфрам (19,30 г/см³), золото (19,32 г/см³), плутоний (19,80 г/см³), платина (21,45 г/см³), осмий (22,61 г/см³), иридий (22,65 г/см³).

Наибольшее применение в машиностроении нашли сплавы на основе алюминия, магния, титана и меди.

Для изготовления деталей высокотемпературных газовых турбин, камер сгорания, корпусов двигателей и сопел ракетной и авиационной техники широко применяются нимоники – жаропрочные сплавы на никелевой основе (55-77%), легированные большим количество хрома (например, наиболее широко применяемый жаропрочный сплав ХН77ТЮР содержит 77% никеля, 20% хрома, а в остальные 3% входят титан, алюминий и бор), а в электротехнической промышленности применяются пермаллои – сплавы никеля (40-83%) с железом, обладающие высокой магнитной проницаемостью.

       Другие из перечисленных цветных металлов в основном используются в технике в качестве легирующих компонентов или по специальному назначению, например, ртуть в термометрах и манометрах, иридий – для создания эталонов мер и деталей высокоточных измерительных приборов, сплавы иридия с осмием или платиной – для создания сверхтвёрдых и износостойких изделий.